基于动态共价键的导电自愈性水凝胶及其用于柔性传感器在运动监测领域的研究现状

分别对传统水凝胶的缺点及引入动态共价键的水凝胶的优点进行了阐述,同时简单阐述了自愈性水凝胶的两种不同自愈机制及其优缺点。首先总结了能够制成自愈性水凝胶的四种典型动态共价键类型及其特点,包括席夫碱键、二硫键、硼酸酯键和Diels-Alder(D-A)反应。其次介绍了将动态共价键引入水凝胶中不仅可以提高水凝胶的自愈性能,还可以提高其响应能力、敏感性、力学性能和导电性。最后对基于动态共价键的水凝胶用于柔性电容式压力传感器、压电式应变传感器和电阻式应变传感器在运动监测领域的研究进展进行了介绍,并指出未来构建低成本、高性能的柔性传感器仍然是该领域的发展方向。

电阻式柔性触觉传感器的研究与医养健康领域应用现状

近年来,可穿戴智能系统的进步对柔性压力传感器提出迫切的需求。其中,电阻式柔性触觉传感器因其原理简单、易于加工、集成效率高等特点得到了迅速发展。但是,如何实现传感器在宽压力监测范围内,具有高灵敏度仍是研究者们要面临的挑战。为了解决上述问题,除了选择先进的功能材料和合适的衬底材料,优化传感器结构也是一个重要的研究方向。本文立足于传感器件的结构设计,分别介绍了一维的纤维纱线传感器件,基于表面微结构、纳米结构构筑的二维平面传感器件及具有空间结构和高空隙的多维立体结构传感器件,通过以上结构设计实现了传感器件性能的提升,最后分析了其在医养健康领域的实际应用进展。

基于导电橡胶填充海绵的柔性压力传感器研究

随着智能机器人的发展,具有精准压力感知能力的电子皮肤成为研究热点。本文使用改性多壁碳纳米管(MWCNTs)和硅橡胶(SR)组成的复合材料及三聚氰胺海绵,采用浸渍工艺,制备了一种高灵敏电阻式柔性压力传感器。阐述了传感器的制作流程,对多壁碳纳米管的改性进行了表征,测试了压力传感器的传感性能,并将传感器装配到机械手上实时检测压力。测试结果表明:制备的海绵压力传感器具有良好的稳定性,宽工作范围(0~580kPa),快速的响应时间(~46ms)及良好的重复性(~2000次)。将传感器装配到定制的3D打印机械爪模具中安装到机械臂上,通过设计的信号采集电路及编写LabVIEW,上位机可以实时获取传感器的信号,得到机械爪上的压力数据,并结合支持向量机算法实现对抓取物体的分类。

具有自主温度补偿的多通道柔性应变传感系统

为了满足全方位的应变采集需求,例如手指弯曲、手势识别等,设计了一种多通道柔性应变传感系统。该系统基于丝网印刷工艺制备了多通道(4个)带有柔性应变片和温度补偿片的惠斯通电桥,通过控制多路复用开关的关断与导通选择相应通道,将应变信号转化为电压信号后进行放大、滤波处理,并通过蓝牙芯片读取应变信息。通过实验证明,印刷传感器对于应变具有良好的响应特性以及重复性,应变电桥在温度25~45℃的环境中初始态输出的电压基本保持不变具有良好的温度补偿性。该柔性应变系统价格低廉、工艺简单,多路复用开关和印刷柔性应变片的数量可以拓展,可以满足可穿戴电子对大面积分布、多点采集的需求。

基体模量对用于柔性传感器的导电聚合物复合材料电阻黏弹性的影响

导电聚合物复合材料(CPC)被广泛用于柔性电阻式传感器的制备。然而由于聚合物基体的黏弹性,导致其电阻响应呈现松弛、滞后等黏弹性现象,这将会对制备的传感器精确表征造成不利影响,故在材料制备阶段减小电阻黏弹性对基于CPC的柔性电阻式传感器具有重要意义。选择了常用的零维炭黑(CB)及一维多壁碳纳米管(MWCNT)为导电填料,并通过在质量分数3%~7%间改变硅橡胶(SR)固化剂质量分数来调节基体模量,研究了基体模量及纳米填料维数对CPC电阻黏弹性的影响。研究结果显示,纳米填料质量分数为3%时,随着基体模量的增加,CB/SR的电阻松弛比从15%增加到34%,多壁碳纳米管/硅橡胶(MWCNT/SR)的电阻松弛比从40%增加到47%;动态循环加载下的应变灵敏度也随基体模量的增加而下降。相同固化剂质量分数即相同基体模量时,与MWCNT/SR相比,CB/SR的电阻松弛比、动态循环加载下的应变灵敏度下降程度和“肩峰”更小。因此,在制备过程中减小基体模量、使用零维导电纳米填料CB,均可减小CPC的电阻黏弹性。

柔性触觉传感器用温度敏感导电橡胶的电阻-温度模型

以通用有效介质理论为基础,得出柔性触觉传感器用温度敏感导电橡胶的电阻-温度计算模型。采用炭黑-硅橡胶导电复合体系(导电/炭黑橡胶)作为实验材料,对该模型进行了实验验证。结果表明,在填料分布均匀、体积分数接近渗流体积分数等边界条件下,电阻-温度计算模型与实验结果吻合,表现出一致的"电阻-正温度系数"(PTCR)变化规律。在温度场的作用下,基体的体积膨胀而导致炭黑浓度被稀释的过程对PTCR效应存在重要影响;基体的体积膨胀导致材料形状的改变对PTCR效应无显著影响。

全柔性热膜微传感器阵列制造工艺及性能优化

为了测量飞机、流体管腔等气动面上的温度、剪应力等流场参数分布,以镍作为热敏材料,利用MEMS微加工技术在聚酰亚胺衬底上制作出了一种全柔性的热膜微传感器阵列。该传感器阵列的整体厚度薄(100μm以内)、软性可弯,可以紧贴曲型壁面从边界层底部实现非破坏性的动态流场参数测量。设计了器件阵列结构,研发了基于溅射成型与退火热处理的微加工工艺。结合工艺与测试实验,系统地分析了氩气压强、衬底温度、溅射功率、退火温度等工艺参数对电阻温度系数的影响规律。为了获得更高的器件灵敏度,通过优化工艺参数提高了柔性热膜微传感器的电阻温度系数,使其达到了4.64×10-3/℃,并且保持了好的线性度。

用于壁面剪应力测量的柔性热敏传感器阵列

阐述了壁面剪应力测量原理及其需求。以Ni为热敏材料、聚酰亚胺为衬底,采用MEMS微加工工艺制作了一种用于近壁传热及流动参数分布测量的全柔性热敏传感器阵列。该传感器阵列的尺寸微小、集成度高、柔性可弯,可用于弯曲壁面剪应力大小与分布测量。针对柔性热敏传感器阵列电阻温度系数太小的问题,本文采用了合适的Ar压强和在溅射过程中衬底加温以及真空退火等办法提高了电阻温度系数,同时考虑并解决了热敏电阻与衬底间的粘附性问题。实验结果表明,在5～80℃,柔性热敏传感器阵列的电阻温度系数可高达4.64×10-3/℃,并且具有良好的线性。

泥沙掩埋对压阻式压力传感器的影响及其对策研究

为了研究泥沙掩埋对压阻式压力传感器的影响,对传感器在不同泥沙、不同掩埋深度下的动态特性进行了测量,发现泥沙掩埋前后及不同泥沙和不同掩埋深度时,传感器输出动态特性有较大差异,对此解释了其产生的原因,并利用机电等效模型建立了泥沙掩埋时的压力传递模型,在此模型基础上,提出了减小泥沙掩埋下传感器输出特性变差的方法,最后利用试验验证了此方法可较好地减少泥沙掩埋对传感器的影响。

非结晶聚合物/碳系填料复合物的电阻温度特性

分析了硅橡胶作为基体材料,分别以炭黑、石墨、碳纤维3种碳系材料作为导电填料获得的复合物的电阻温度特性差异。结果表明炭黑作为填料的复合物样品没有正向电阻温度特性,石墨样品仅在较小的温度范围(55～75℃)具有明显的正向电阻温度特性,而碳纤维样品在较大的温度范围(25～90℃)具有较明显的正向电阻温度特性,且电阻温度变化近似线性。综合考虑,碳系填料的形状是影响非结晶聚合物/碳系填料复合物正温度系数的主要因素;非结晶聚合物/碳纤维复合物电阻温度特性具有较好的线性,可用于柔性温度传感器的敏感材料。

导电橡胶电阻传感器对拉伸应变载荷的响应

为了提高导电橡胶型柔性电阻传感器的灵敏度,开展了导电橡胶电阻传感器的设计及其对循环拉伸应变载荷的电阻响应特性及相应的机理分析.选用了刚性较大的乙烯基聚二甲基硅氧烷(3450)作为电阻传感器的基板层材料,碳纤维(carbon fiber,CF)填充聚二甲基硅氧烷(PDMS)的导电橡胶作为导电层,通过3D打印工艺制备组装出2种间距的柔性电阻传感器,测试电阻传感器对循环拉伸应变载荷(30%~120%)和不同速率拉伸应变载荷的电阻响应,利用显微镜观察拉伸过程中导电橡胶内部CF的变化,并建立电阻等效电路模型以及拉伸电阻响应拟合公式.研究结果表明:电阻传感器在拉伸应变载荷为60%~120%时的电阻变化率明显,且细间距导电层的传感器灵敏度更高,并且在拉伸过程中对应变速率不敏感;导电橡胶的电阻因拉伸导致纤维间距增大,进而导致其隧穿电阻呈指数规律增大,与电阻传感器的拉伸电阻响应拟合结果一致.最后将传感器应用于人体运动测试和多次机械加载测试,发现该传感器阻值变化与肘关节屈伸运动一致.研制的导电橡胶电阻传感器对拉伸应变响应灵敏且稳定可靠,适合用于运动测试.

足底压力阵列分析系统的研究与开发

足底压力信息采集在临床医疗、康复训练、运动训练方案制订等领域有着重要参考价值,有助于糖尿病、中风后遗症等疾病的临床医疗诊断、效果评估、人工关节设计、假肢设计和评估体育训练。足底压力阵列分析系统采用阵列式电阻式柔性薄膜压力传感器,基于STM32单片机设计足底压力阵列分析采集电路,蓝牙无线传输信息到上位机。软件平台采用高效可移植性好的HAL库程序开发。应用标定实验和算法计算确保系统可行性、准确性、鲁棒性。

基于碳基导电胶的柔性压力传感器的设计与性能评价

本文基于碳基导电胶,设计了两种圆柱形压阻式柔性压力传感器,并对其性能进行了测试分析.结果表明,具有中空结构且内径为1 cm的传感器具有优良的弹性和灵敏的传感性能,耐用性良好且测量压力范围较大,具有广泛的应用前景.

智能时代下的新型柔性压阻传感器

传感器是能将外部物理激励转换为电信号的核心器件。随着物联网、生物医疗、人工智能等新兴领域的发展,传感器的性能与其适用环境的标准愈来愈高,全球的科学技术研究学者在不断地探索各类新型传感器技术。近年来,具有新材料、新结构、高性能的柔性传感器已被广泛报道,其材料选择、结构控制、制备工艺流程等技术不断完备。其中,柔性压阻传感器的工作原理是将一系列的外加压力信号转换为电信号。性能优异的柔性压阻传感器具有高灵敏度、高线性度、大测量范围、快速响应和高重复性等特点。传感器的微观结构是决定其性能的主要调控因素。传统的传感器表征测试方法只能静态地测量器件的结构,却无法在器件工作状态下实时地、动态地监测材料结构和化学成分的变化对其电学性能的影响。原位表征测量技术的出现可以解决上述问题,为进一步提升传感器性能提供了直观的实验支持。与此同时,单一传感器不能满足信息时代的技术需求,阵列化、智能集成系统成为未来传感器技术发展的主流趋势。智能传感系统不仅具备柔性压阻传感器采集信号的功能,还将传感器与设计的集成电路相连,通过电路对采集到的数据信息进行传输与处理,使用人工智能神经网络算法进行计算,完成数据的智能分析与处理,最终将数据传输到终端显示,展示出人体生理健康信息监测所需要的信息与智能化分析结果。本文主要归纳了近年来柔性压阻传感器的智能化进展,结合原位表征技术阐明了柔性压阻传感器的微观结构与性能的关联机制,探讨了基于柔性压阻传感器的智能系统构筑,最后展望了柔性压阻传感器与多功能智能传感系统未来的发展趋势及研究重点。

基于V-REP的主动柔顺式机器人轴孔装配仿真

将机器人应用于轴孔装配作业中可大大提高生产效率,降低生产成本,但同时也带来了一定的风险,当装配过程遇到卡阻现象时会对装配工件甚至机器人造成损害。本文设计了一种主动柔顺装配系统,将六维力传感器安装于机械臂末端,可实时监测安装过程中的力矩大小,当装配过程中出现卡阻现象时,通过一种主动柔顺装配方案进行去卡阻,使轴孔装配作业可以平稳顺利地进行。论文对卡阻现象进行了力学分析,得出六维力传感器反馈值与轴孔接触状态之间的对应关系,并提出了基于工件旋转中心的去卡阻方案,并在V-REP平台下编写程序对该轴孔装配方案进行验证,设置工件以不同倾斜角进行入孔作业,并对实验数据进行了详细的分析。

电阻式柔性触觉传感器的研究进展

电阻式柔性触觉传感器具有柔韧灵敏、简单可靠、检测范围广、易于集成化等特点,在触觉感知、人机交互、医疗健康等传感应用领域占据着极其重要的地位,具有广阔的应用前景。随着电阻式柔性触觉传感器的发展,其制备技术和结构设计愈加精密成熟,3D打印技术的应用以及各类微结构的设计使传感器柔韧性和灵敏性得到了极大的提高。然而,目前高性能电阻式柔性触觉传感器的制作工艺仍旧十分复杂,严重限制了其批量生产的能力。再加上电阻式柔性触觉传感器不能实现剪裁拼接、高效低耗等功能,因而无法满足人们对其大面积覆盖和高密度触觉感知的期望。此外,就性能而言,电阻式柔性触觉传感器也难以实现高柔与高敏的兼顾效果,在传感上仍有局限性。为了解决这些难点,众多国际学者在柔性衬底材料、导电敏感材料的选择,以及敏感单元、阵列结构的设计上进行了大量的研究,搭建电子皮肤触觉感知系统。如今,电阻式柔性触觉传感器已经朝着微型化、集成化、自愈合、自清洁、生物适应、生物降解、神经接口控制等方向发展,并在多功能传感上取得了卓越成果。本文首先介绍了电阻式柔性触觉传感器的检测原理和性能指标,然后从材料选择、结构设计和性能优化方面概述了电阻式柔性触觉传感器的研究现状和关键技术,讨论了其在触觉感知、人机交互、医疗健康等领域的相关应用,最后指出了目前电阻式柔性触觉传感器研究所存在的技术难题,并对其未来发展进行了展望。

基于rGO/PDMS可穿戴电阻式柔性压力传感器的制备和性能研究

文章介绍了一种基于还原型氧化石墨烯(rGO)/聚二甲基硅氧烷(PDMS)的电阻式柔性压力传感器,提出了一种制备柔性压力传感器的新方法,并研究了rGO浓度对该传感器灵敏度的影响。结果表明,该柔性压力传感器具有较高的灵敏度,当rGO掺杂量为4%时,灵敏度最大可达到76.321 kPa^(-1),可用于监测人体关节弯曲程度和手腕中的脉搏运动。该电阻式柔性压力传感器制造成本低,灵敏且耐用,在机器人皮肤和智能穿戴领域具有广泛的应用前景。

金属有机骨架(MOFs)/纤维材料用于电阻式气体传感器的研究进展

总结了将MOFs材料与金属氧化物、纺织品以及碳基导电纤维材料相结合,并在电阻式气体传感器领域的研究与应用.其中金属氧化物结合MOFs过程中,MOFs主要有两个作用:一是作为分散剂提高金属氧化物的分散性;二是利用MOFs本身具有较大的比表面积和大量的活性位点,来提高材料对于气体分子的吸附量和选择性.当纺织品与MOFs结合的过程中,由于纺织品的导电性相对较差,所以需要结合一些导电性及气体选择性较好的MOFs来作为传感器.碳基导电纤维一般具有较好的机械性能和导电性能,因此将其与MOFs材料复合后用于柔性电阻气体传感器具有一定的优势.

电子皮肤用纤维素水凝胶的研究进展

综述了纤维素水凝胶用于电子皮肤器件近期取得的研究进展。指出水凝胶可穿戴电子未来的发展和应用方向:一是在智能医疗领域实现健康管理和动态治疗;二是实现人类感知支配的物联网。先从拉伸性、抗冻性和自愈合三方面分析了电子皮肤用纤维素水凝胶所需的基本特性。然后举例阐述了纤维素水凝胶在药物负载和释放两方面的独特优势,揭示了其在智能医疗领域的价值,同时总结了水凝胶可穿戴电子的信号传感功能所蕴含的巨大应用潜力。最后探讨了目前纤维素水凝胶研究面临的挑战,并对纤维素水凝胶及对应的电子皮肤器件的发展趋势进行了展望。

导电复合纱基柔性电阻式应变传感器的研究进展

为系统分析导电复合纱基柔性电阻式应变传感器的研究现状,根据复合纱使用的导电材料种类,将导电网络分为一元、二元及多元结构,并对其应变传感性能进行总结和分析,同时研究了多元导电材料之间的协同作用机制。一元结构复合导电纱受导电材料维度结构的影响,形成差异化导电网络结构,但难以同时实现高应变范围和敏感性;二元及多元结构导电纱由不同维度导电材料构建,形成了点-线-面、点-点、线-线、面-面等不同连接方式的三维导电网络,能够在大应变范围内实现高敏感性,并提高传感器的稳定性。该研究为多元应变传感网络的构建新途径提供重要的参考依据。